従来の合金と高エントロピー合金の違いは？

はじめに

従来の合金と高エントロピー合金（HEA）は、様々な用途に使われる2種類の材料である。どちらも金属元素で構成されていますが、これらの合金にはいくつかの重要な違いがあります。この記事では、組成、微細構造、特性、用途、製造方法など、従来の合金とHEAの違いを探る。

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図 1.HEAの自動モデル

伝統的合金と高エントロピー合金の紹介

従来の合金は、ある金属元素と他の金属元素または非金属元素を組み合わせたものです。これらのタイプの合金は、強度の向上や延性の促進など、いくつかの特徴を変更しながら、元のベース金属のいくつかの特性を保持します。

母材に添加できる合金元素は多種多様である。クロムは合金の耐食性を向上させるために一般的に添加されます。タングステンは高温での耐摩耗性を向上させるために使用される合金元素であり、炭素添加は強度を向上させるために鋼や鋳鉄合金に頻繁に添加されます。

高エントロピー合金とは、5種類以上の主要元素を含む合金を指し、各元素の原子比率は5%から35%である。複数の元素を含むことにより、複雑な構造と高エントロピー効果が生じ、従来の合金と比較してHEAのユニークな物理的・機械的特性がもたらされる。

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従来の合金と高エントロピー合金の比較

--組成

従来の合金と高エントロピー合金は異なる元素組成を持っています。一つは、従来の合金は一般的に2～3種の金属元素を様々な割合で含んでいます。一方、HEAは少なくとも5つの元素を等しいか、ほぼ等しい原子比率で含んでいる。もうひとつは、従来の合金ではベース金属が最も大きな割合を占めるのに対し、高エントロピー合金では元素が等しいか、ほぼ等しい割合を占めることである。

--微細構造

組成が異なれば、構造も異なる。従来の合金は一般的に共晶や樹枝状構造などの明確な微細構造を示すが、HEAは無秩序で均質な微細構造を示す。HEAの無秩序な性質は、原子のランダムな分布につながり、高温でも相変態の発生を抑える。

--特性

従来の合金は、その組成と微細構造によって様々な特性を示す。例えば、従来の合金の中には、強度はあるが脆いものもあれば、延性はあるが強度が低いものもある。

対照的に、HEAは、その無秩序な微細構造により、高強度、延性、熱安定性などの優れた特性の組み合わせを示す。例えば、VNbMoTaWは、1,400℃の温度でも600MPa (87 ksi)を超える高い降伏強度を持つ驚くべき耐火合金であり、これは従来の超合金を凌駕する可能性さえある。

--用途

従来の合金は、自動車、航空宇宙、建築など様々な用途に使用される一般的な材料である。

一方、HEAは比較的新しい材料であり、その潜在的な用途についてまだ研究されている段階である。HEAは、高温熱電用途、耐摩耗性コーティング、構造材料など、さまざまな用途で有望視されている。

例えば、HEAは自動車産業でエンジン部品、ドライブトレイン部品、その他の構造装置に応用されている。これらの合金はまた、その高温機械的特性、耐放射線性、耐腐食性のおかげで、原子力用途の有望な材料としても役立っている。

--生産

高エントロピー合金の製造には複数のアプローチがある一方、従来型合金の調製プロセスは比較的単純である。

従来の合金は通常、鋳造、押出、鍛造などの従来の方法で製造される。一般的に、このプロセスには、溶解、混合、凝固、その後の冷却が含まれる。

しかし、HEAの製造には、その複雑な組成と微細構造のため、特殊な技術が必要である（図2参照）。HEAの多くは、アーク溶解や誘導溶解で製造される。固相加工ではメカニカルアロイングを用いる。気相法では、スパッタリングや分子線エピタキシー（MBE）が用いられる。

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図2.HEAの製造

結論

一言で言えば、従来の合金と高エントロピー合金は、その組成、微細構造、特性、用途、製造方法が異なる。従来の合金が明確な微細構造と特性を持つのに対し、HEAはその無秩序で均質な微細構造により、ユニークな特性の組み合わせを提供する。HEAは様々な用途に応用できる有望な材料であり、その可能性を最大限に引き出すための研究が続けられている。スタンフォード・アドバンスト・マテリアルズ（SAM）は、高エントロピー合金の信頼できるサプライヤーです。詳しくは弊社ホームページをご覧ください。

参考文献

[1] 高エントロピー合金.(2023年6月5日）。ウィキペディアで https://en.wikipedia.org/wiki/High-entropy_alloy#See_also

[2] Zhang, Wei & Zhang, Yong.(2018).高エントロピー合金の科学と技術.Science China Earth Science.2-22.